Цифровые фильтры

Используются для восстановления цифрового сигнала в аналоговую форму, методом повышения количества выборок, за счет расчета промежуточных значений, чтобы получить достаточную гладкость сигнала, это может быть звуковой сигнал или изображение.

При восстановлении формы сигнала важно какие используются алгоритмы, т.к. наше восприятие чувствительно к деталям, до такой степени, что на звук влияет даже проигрыватель звука, используемый в системе, где используются разные алгоритмы интерполяции сигнала. Интерполяция- это и есть восстановление цифрового сигнала или фильтрация, получаемая методом увеличения количества промежуточных отсчетов, как по времени, так и по уровню.

Конечно, восстановить аналоговый сигнал можно с применением обычных аналоговых сглаживающих фильтров, чтобы срубить ступеньки, но это дорого, а часто нереализуемо сегодня в переносных устройствах и кроме того не так эффективно, т.к. аналоговый фильтр залезает на рабочий спектр сигнала, ограничивая его или же сигнал получается рубленным, с ВЧ гармониками, плохо отфильтрованным. На примере фото плохая фильтрация выглядит как артефакты на тонких линиях и деталях, как искажения, но зрительно это может повышать резкость изображения.

На рис.1 показано на графике, где 2-ой сигнал дающий запаздывание, характерен поведению инерционности или индуктивности, при подаче прямоугольного сигнала. 1-ый сигнал опережающий или емкостный. И 3-ий сигнал составляет сумму двух первых сигналов, комбинированный. Очевидно, что последний вариант будет самым точным.

На самом деле, как видим активный вид тока, т.е. без запаздывания получается как следствие совмещения инерционного тока и емкостного, т.е. в природе нет никакого активного вида сопротивления и электричества, природа передает энергию волновым способом, где одновременно работает сбалансированным образом как индуктивный эффект, так и емкостный.

Реализация цифрового фильтра третьим способом будет самая точная, но на практике часто используют обычное инерционное сглаживание рис.1. позиция 4, приводящее к запаздыванию фронта, а чтобы это не было так заметно сигнал форсируют, поэтому возникает колебательность, что в сумме реализует совмещение инерционного и емкостного способа, дающие с достаточной точностью переходный процесс, но с колебаниями затухающими.

Теме цифровой фильтрации не уделяют пристального внимания по простой причине, что сигнал искажается дополнительно усилителями, обогащается гармониками, искажениями, шумами, джиттер влияет, провода и кабели также имеют индуктивность и емкость, поэтому итоговый сигнал больше зависит от последующих этапов обработки, передачи и излучения.

Но с ростом уровня техники цифровая обработка оказывает заметное влияние, поэтому важна битность преобразований при расчете, тип фильтрации, фирма Pioneer еще в 90-ых годах разработали специальный фильтр, который назвали Legato Link Conversion, где фильтр обеспечивает почти чистую импульсную характеристику , т.е. 3-ий тип фильтрации по рис.1. Фирма Denon также использует подобную технологию, называя её Alfa 32, где 32- это битность при обработке, обеспечивающая высокое качество и это требует наличие мощного процессора.

Именно поэтому в бюджетной и бытовой технике фильтрация выполняется по более простым алгоритмам, что исторически обусловлено, при развитии цифровой технологии процессоры были слабые. Сегодня с этим проблем нет, программный музыкальный плеер для операционной среды Windows типа Roon имеют внутреннее разрешение 64 бит и на выходе 32 бита, т.е. можно проводить передискретизацию за счет процессора качественно, подавая звук сразу на ЦАП, повышая как частоту сигнала, так и по уровню квантования повышая разрядность, например с 16 бит до 24 или даже 32, тем самым максимально сглаживая сигнал в аналоговую форму.

Сегодня даже бюджетные ЦАП-ы поддерживают битность 24…32 и частоты 192кГц и выше. Это, конечно не гарантирует супер звук, т.к. при таких битах и частотах больше влияет выходной тракт и конечно провода, излучатели, но теоретически и практически обработка заметна на хорошей техники, конечно, на уровне микродинамики, на уровне акцентов, не глобально.

На самом деле в звукотехнике есть еще одна проблема, это частота квантования, современные встроенные звуковые карты в компьютере или телефоне обычно имеют кварцевый генератор настроенный на частоту 48 кГц и кратные частоты, т.е. 96 кГц и выше, а записи часто идут в формате CD, где используется частота выборки 44,1 кГц, поэтому процессор ЦАП делает ресамплинг, т.е. пересчет и делаете это по разным алгоритмам, где влияет разрядность, тип фильтра, погрешность вычисления и это влияет на звук.

Так, например, звуковые карты Creative, по моим наблюдениям, пересчет делают процессором и обойти этот режим нельзя, даже в режиме ASIO, поэтому на импульсной характеристике или менадре при проигрывании сигнала 44,1 кГц появляются биения на осциллограмме, связанные с алгоритмом пересчета, что влияет на звук, на восприятие, именно поэтому эти карты народ любит, т.к. это искажения, обогащающие звук гармониками, возможно умышленно применятся такие алгоритмы и люди отдают предпочтение этим картам, это просто бизнес.

При сравнении с более честными каратами такие карты выигрывают, дают не такой стерильный звук, но тем не менее такой звук оказывается окрашенным, плюс применяют свой алгоритм, разные типы фильтров, например на частоте 96 кГц включается другая фильтрация и люди говорят, да это заметно, на самом деле влияет другой алгоритм интерполяции сигнала, такие вот нюансы звукового бизнеса.

А всё остальное делают реклама, раскрутка, форумы и так далее, когда люди слышат разницу, а объяснить не могут, при этом это часто достигается за счет программного обеспечения (ПО) и прошивки, т.е. не требует больших затрат. Конечно, влияет и аппаратная часть, усилители, питание, кабели и линии, но за счет ПО можно всегда звук подкрасить, создавая ажиотаж и поддерживая продажи, навести морок или магию на покупателя и он будет как заколдованный предпочитать какую-то фирму, подсев на искажения и считая это классным звуком, впрочем тот же эффект был в аналоговой технике, магнитофоны, пластинки, а может еще в большей степени, где искажения генерировал также носитель информации.